一種亞麻粗紗超臨界CO2無水煮練裝置及其煮練方法與流程

本發明涉及一種超臨界CO₂流體無水煮練技術，尤其涉及一種亞麻粗紗超臨界CO₂無水煮練裝置及其煮練方法。

背景技術：

亞麻纖維是人類最早使用的優質植物纖維，占天然纖維總量的1.5％。其化學組成主要包括纖維素、半纖維素、果膠、木質素、蠟質和含氮物質等，其中半纖維素、木質素、果膠難以去除，且亞麻纖維分子的結晶度和取向度較高，易于對纖維的延伸度、彈性、集束性、柔軟性和卷曲性產生影響，給亞麻纖維紡紗織造過程帶來了諸多不便。因此，亞麻粗紗煮練一直是麻紡行業關注的難題。多年以來，許多研究工作都立足解決此問題，直到20世紀50年代后期，人們才開始研究粗紗煮練工藝，將粗紗煮練后進行濕紡，使伴生物充分溶脹，從而除去部分雜質，增加纖維可紡性。50年代末，我國成功研發了亞麻粗紗煮練技術；70年代末亞麻粗紗煮練設備基本完善。

傳統亞麻粗紗煮練加工過程中主要以水為介質，依次經過堿煮、亞氯酸鈉漂白、水洗、雙氧水漂白、水冼、酸冼、水冼工序，去除纖維中的半纖維素、木質素和果膠，最終滿足紡紗工序中對亞麻粗紗纖維強度和白度的要求。亞麻粗紗經煮練處理后，去除了部分粘結纖維之間的物質，減弱了纖維之間的聯系，提高了亞麻纖維的分裂度，增加了亞麻纖維的可紡性。然而，傳統亞麻粗紗煮練工序具有耗水耗能多、工藝流程長、經濟成本高等缺點。同時，煮練生產后，排放的污水中含有大量的亞氯酸鈉、純堿、雙氧水等助劑，給環境帶來了嚴重的污染。

當常態下物質的溫度和壓力高于其臨界溫度和臨界壓力時，該物質即轉化成為超臨界流體。在超臨界狀態下，壓力和溫度的微小改變，均會導致流體密度的顯著差異，并表現為流體溶解度的變化，從而使得超臨界流體極具有應用價值。自1978年西德Essen舉行第一屆“超臨界流體萃取”國際會議起，30多年來，超臨界流體萃取技術已廣泛應用于醫藥、化工、食品及環保等領域。超臨界流體萃取技術是在不改變化學組成的條件下，利用超臨界流體的溶解能力與其密度的關系，將超臨界流體與分離物質接觸，使其有選擇性地把極性大小、沸點高低和分子量大小的成分依次萃取出來，然后利用溫度和壓力對超臨界流體溶解能力的影響而實現萃取分離目的。在常用的物質中，CO₂以其無毒、無害、不燃、具有化學惰性和獨特的四極矩結構，臨界溫度(31.1℃)和臨界壓力(7.37MPa)較低等特點，成為應用最為廣泛的超臨界流體。

為了解決亞麻粗紗煮練工序的高污染、高能耗難題，發明了一種亞麻粗紗超臨界CO₂無水煮練方法，利用CO₂代替水介質實現了亞麻粗紗的清潔化煮練生產，對于麻紡行業的技術轉型升級具有重大意義。

技術實現要素：

為了解決亞麻粗紗煮練工序的高污染、高能耗難題，本發明提供一種亞麻粗紗超臨界CO₂無水煮練裝置及其煮練方法，利用CO₂代替水介質實現了亞麻粗紗的清潔化煮練生產，對于麻紡行業的技術轉型升級具有重大意義。

一種亞麻粗紗超臨界CO₂無水煮練裝置，包括結構單元CO₂儲罐、過濾器、增壓泵、預熱器、加熱器、煮練釜、分離釜和磁力循環泵，其中，所述的CO₂儲罐、過濾器、增壓泵、預熱器、煮練釜、分離釜通過管路順次連接，所述加熱器通過管路與煮練釜上下游連通，用于使煮練釜內的物料進行加熱；所述磁力循環泵通過管路與煮練釜上下游連通，用于使煮練釜內的物料進行循環；其特征在于，

所述的分離釜結構單元：

包括筒體和頂蓋，所述筒體和頂蓋通過螺栓連接，所述筒體上開設有氣液混合物入口，液體出口和氣體出口Ⅰ，所述氣液混合物入口位于筒體側壁上，所述液體出口設置在筒體下方，所述氣體出口Ⅰ設置在筒體上方；所述筒體內固定連接有螺旋式分離器，所述螺旋式分離器由上而下包括螺旋管、螺旋管入口端和螺旋管出口端，所述螺旋管入口端與氣液混合物入口相連接，所述螺旋管出口端與液體出口相連接，所述螺旋管出口端的端口內壁上密封設置有過濾篩板，所述螺旋管出口端上開設有氣體出口Ⅱ，所述氣體出口Ⅱ位于所述過濾篩板和螺旋管之間。

具體的，對于上文所述的煮練裝置，其中，所述螺旋管內裝有填料，所述填料為硅膠或聚苯乙烯，所述填料的粒徑為1-10μm。

具體的，對于上文所述的煮練裝置，其中，所述螺旋管內的填料粒徑從氣液混合物入口到氣體出口Ⅱ的順序逐漸減小。

具體的，對于上文所述的煮練裝置，其中，所述螺旋式分離器可拆卸地安裝于分離釜的筒體內。

具體的，對于上文所述的煮練裝置，其中，所述分離釜至少一個，各分離釜通過管道串聯的方式連接。

本發明還公開一種亞麻粗紗的煮練方法，采用上文所述的亞麻粗紗超臨界CO₂無水煮練裝置進行煮練。

具體的，所述方法采用的煮練方法為，將亞麻粗紗置入到煮練釜內，開啟制冷系統，當CO₂儲罐壓力降至4.0MPa，儲罐液位升至儲罐總液位2/3處時，開始向煮練釜中通入CO₂；CO₂流體通過過濾器過濾后，在增壓泵的作用下注入到煮練釜內部，并在預熱器的作用下達到超臨界CO₂狀態時，開啟增壓泵，使煮練釜內部維持一定的壓力，打開加熱器進行加熱，使其煮練釜內部溫度維持在一定范圍內，在此條件下利用磁力循環泵進行亞麻粗紗煮練一定時間，CO₂流體流速為10-50g/min；煮練結束后，釋壓、降溫并使分離器內保持3MPa、20℃條件下進行CO₂流體回收，得到煮練后亞麻粗紗；

上文所述的煮練條件為：超臨界CO₂流體流速為10-50g/min；煮練釜內部壓力為8-20MPa，溫度為30-120℃。優選的情況下，采用三段式煮練工藝：首先在30-80℃、8-16MPa的條件下在靜態下溶脹亞麻纖維5-20min；進行亞麻粗紗的超臨界流體溶脹工序。然后，提高溫度至30-120℃、壓力至8-20MPa，在磁力循環泵的帶動下，動態的循環煮練亞麻纖維10-30min；最后，保持30-120℃、壓力8-20MPa的條件下，開啟增壓泵進行煮練-分離聯合工藝5-10min，完成亞麻粗紗煮練加工。

本發明所述超臨界二氧化碳流體無水煮練設備中具有相同功能的設備單元均可包含多個，如可包括若干分離器、若干煮練釜、若干增壓泵和加熱器等。本領域技術人員可根據處理量的需要進行設置。

具體的，對于上文所述的煮練裝置，由兩個所述的分離釜通過管路串聯組成多級分離釜；各分離釜內具有可拆卸螺旋管式分離器以增加分離面積，并按照萃取物的分子大小進行依次精細分離。

具體的，對于上文所述的煮練裝置，由兩個煮練釜通過管路并聯組成。

所述的一種亞麻粗紗超臨界CO₂無水煮練方法，工藝流程為：將亞麻粗紗置入上文所述的超臨界CO₂煮練釜中；開啟制冷系統，當CO₂儲罐壓力降至4.0MPa，CO₂儲罐液位升至400mm，開始向煮練釜中通入CO₂，使CO₂流體流速為10-50g/min；

具體的，CO₂儲罐輸出的CO₂流體，通過過濾器過濾，通過增壓泵進入預熱器內初次升溫，以增加混合效果；隨后進入加熱器進行二次升溫，以滿足煮練條件需要。超臨界CO₂流體進入并聯設置的兩個或多個煮練釜，進行亞麻粗紗煮練。并在磁力循環泵的作用下，帶動超臨界CO₂流體在煮練釜間循環流動，完成煮練生產。煮練加工完成后，關閉增壓泵和磁力循環泵。煮練釜體內的超臨界CO₂流體進入多級分離釜內的盤管式分離器，

煮練完成后，煮練釜體內的超臨界CO₂流體進入依次串聯設置的兩個或多個分離釜內進行多級分離，在內部漸變式填料的作用下，保持3MPa、20℃條件下，使得煮練產物與CO₂氣體完全分離；并按照分子大小，使得萃取出的煮練產物依次經由盤管式分離器和其過濾篩板析出。在分離釜內部超臨界CO₂氣化為CO₂氣體。CO₂氣體經過凈化器過濾后，再次回收進入CO₂儲罐，以進行下次煮練生產。蒸發器連接有CO₂儲罐和冷凝器，以平衡CO₂儲罐內壓力。

本發明的有益效果為：

1.與傳統化學煮練方法相比，本發明所述的分離釜內可拆卸地固定有螺旋式分離器以增加分離面積，且按照不同粒經大小填充填料，進一步實現了按照萃取物的分子大小進行依次精細分離的目的。

2.與傳統化學煮練方法相比，采用本發明煮練方法生產一公斤麻通常需要CO₂量0.1-1kg，煮練時間需要30-60min，粗紗的重量損失率5-10％，殘膠率8-12％，單纖維斷裂強度6-12cN/dtex，斷裂伸長率4-7％；本發明利用CO₂代替水介質實現了亞麻粗紗的清潔化煮練生產，煮練全過程無污染、零排放，體現了時尚麻紡、綠色麻紡的現代生活理念。

附圖說明

圖1.亞麻粗紗超臨界CO₂流體煮練工藝示意圖；

1.CO₂儲罐、2.過濾器、3.煮練釜、4.分離釜、5.增壓泵、6.預熱器、7.加熱器、8.磁力循環泵；

圖2.螺旋式分離器示意圖；

41、筒體，42、頂蓋，411、氣液混合物入口，412、液體出口，413、氣體出口Ⅰ，43、螺旋式分離器，431、螺旋管入口端，432、螺旋管，433、螺旋管出口端，434、過濾篩板，435、氣體出口Ⅱ。

圖3.兩個分離釜通過管路串聯組成多級分離釜；

圖4.兩個煮練釜通過管路并聯。

具體實施方式

下述非限制性實施例可以使本領域的普通技術人員更全面地理解本發明，但不以任何方式限制本發明。

下述實施例中所述試驗方法，如無特殊說明，均為常規方法；所述試劑和材料，如無特殊說明，均可從商業途徑獲得。

本發明殘膠率按照GB 5889-86《苧麻化學成分定量分析方法》進行測試；單纖維斷裂強度、斷裂伸長率按照GB/T5886-86《苧麻單纖維斷裂強度實驗方法》進行測試。

實施例1

以下結合附圖詳細敘述本發明的具體實施方式。下述實施例中所用煮練釜的結構為公布號為CN102787459A的中國專利中的超臨界二氧化碳筒子紗染色釜，如其公開文本中實施例1所記載的染色釜結構。

本發明所述的一種亞麻粗紗超臨界CO₂煮練裝置：

一種亞麻粗紗超臨界CO₂無水煮練裝置，包括結構單元CO₂儲罐1、過濾器2、增壓泵5、預熱器6、加熱器7、煮練釜3、分離釜4和磁力循環泵8，其中，所述的CO₂儲罐1、過濾器2、增壓泵5、預熱器6、煮練釜3、分離釜4通過管路順次連接，所述加熱器7通過管路與煮練釜3上下游連通，用于使煮練釜3內的物料進行加熱；所述磁力循環泵8通過管路與煮練釜3上下游連通，用于使煮練釜3內的物料進行循環；其中，

所述的分離釜4結構單元：

包括筒體41和頂蓋42，所述筒體41和頂蓋42通過螺栓連接，所述筒體41上開設有氣液混合物入口411，液體出口412和氣體出口Ⅰ413，所述氣液混合物入口411位于筒體41側壁上，所述液體出口412設置在筒體41下方，所述氣體出口Ⅰ413設置在筒體41上方；所述筒體41內固定連接有螺旋式分離器43，所述螺旋式分離器43由上而下包括螺旋管432、螺旋管入口端431和螺旋管出口端433，所述螺旋管入口端431與氣液混合物入口411相連接，所述螺旋管出口端433與液體出口412相連接，所述螺旋管出口端433的端口內壁上密封設置有過濾篩板434，所述螺旋管出口端433上開設有氣體出口Ⅱ435，所述氣體出口Ⅱ435位于所述過濾篩板434和螺旋管432之間。

所述螺旋管432內裝有填料，所述填料為硅膠或聚苯乙烯，所述填料的粒徑為1-10μm。填料粒徑從氣液混合物入口411到氣體出口Ⅱ435的順序逐漸減小。所述螺旋式分離器43可拆卸地安裝于分離釜的筒體41內。

利用上述裝置的亞麻粗紗超臨界CO₂煮練方法，其煮練工作過程如下：

(1)內循環煮練：

首先，將亞麻粗紗筒子依次相連接套置在煮練釜3內。開啟制冷系統，當CO₂儲罐1壓力降至4.0MPa，儲罐液位升至儲罐總液位2/3處時，開始向煮練釜3中通入CO₂；CO₂流體通過過濾器7過濾以去除可能含有的雜質后，在增壓泵5的作用下，CO₂流體進入煮練釜3，并在預熱器6的作用下達到超臨界CO₂狀態時，使煮練釜3內部維持一定的壓力，打開加熱器7進行加熱，使其煮練釜3內部溫度維持在一定范圍內，超臨界CO₂流體流速為10-50g/min；超臨界CO₂流體流入煮練釜3內，由下而上的向亞麻筒子紗滲透擴散后流出；采用三段式煮練工藝：首先在30-80℃、8-16MPa的條件下在靜態下溶脹亞麻纖維5-20min；進行亞麻粗紗的超臨界流體溶脹工序。然后，提高溫度至30-120℃、壓力至8-20MPa，在磁力循環泵的帶動下，動態的循環煮練亞麻纖維10-30min；最后，保持30-120℃、壓力8-20MPa的條件下，開啟增壓泵進行煮練-分離聯合工藝5-10min，煮練過程的熱量損失由加熱器10進行補償。

煮練結束后，釋壓、降溫并使分離器內保持3MPa、20℃條件下進行CO₂流體回收，完成亞麻粗紗煮練加工。

(2)外循環煮練：

將亞麻粗紗筒子依次連接套置在煮練釜3內，亞麻粗紗經超臨界CO₂流體煮練20-40min后，改變流體運行方向，此時CO₂流體經由煮練釜3的頂部氣體通道進入；由上而下的向位于其上的亞麻筒子紗滲透擴散后流出；在磁力循環泵8的作用下，CO₂流體再次進入煮練釜3，實現外循環煮練。

煮練過程的熱量損失由加熱器7進行補償。煮練加工完成后，關閉增壓泵5和磁力循環泵8。煮練釜3釜體內的超臨界CO₂流體進入多級分離釜4，經分離釜氣液混合物入口411和螺旋式分離器43入口進入分離釜內的螺旋式分離器43，在分離器內部漸變式填料的作用下，保持3MPa、20℃條件下，使得煮練產物與CO₂氣體完全分離；煮練產物經過不同粒徑大小的填料時可按照分子量大小依次流出螺旋式分離器43，螺旋式分離器43內設置的過濾篩板434可過濾一些纖維等固體產物，提高分離效果。經過螺旋式分離器43分離的液態煮練產物可通過分離釜筒體41底部的液體出口412放出，經進一步純化后再利用；經過螺旋式分離器43后液態CO₂轉化為氣態CO₂，氣態CO₂通過螺旋式分離器43的氣體出口Ⅱ435流出，并通過分離釜筒體41和螺旋式分離器43之間的空隙，再由設置在分離釜筒體41上方的的氣體出口Ⅰ413流出分離釜，經由過濾器再次過濾后，經過冷凝器制冷后回收進入CO₂儲罐，以備下次使用。

1.CO₂儲罐、2.過濾器、3.煮練釜、4.分離釜、5.增壓泵、6.預熱器、7.加熱器、8.磁力循環泵；

實施例2

將5kg亞麻粗紗筒子依次連接套置到煮練釜8內。

煮練過程中，首先開啟制冷系統，液態CO₂在CO₂儲罐1內流出，通過過濾器2過濾去除可能含有的雜質后，在增壓泵5的作用下注入到煮練設備內部；而后在預熱器的作用下進入超臨界狀態。由下而上的向位于其上的亞麻筒子紗滲透擴散后流出；關閉增壓泵5，在35℃、10MPa的條件下在靜態下溶脹亞麻纖維5min，進行亞麻粗紗的超臨界流體溶脹工序。然后CO₂流體流出煮練釜；在磁力循環泵8的作用下，CO₂流體再次進入煮練釜3，提高溫度至80℃、壓力至15MPa，在動態下循環煮練亞麻纖維20min，實現煮練循環；再次開啟增壓泵5，保持80℃、壓力15MPa的條件下，進行煮練-分離聯合工藝10min，以完成亞麻粗紗煮練加工。

煮練加工完成后，關閉增壓泵5和磁力循環泵8。煮練釜體內的超臨界CO₂流體進入多級分離釜4內的螺旋管式分離器43，在內部漸變式填料的作用下，保持3MPa、20℃條件下，使得煮練產物與CO₂氣體完全分離；并按照分子大小，使得萃取出的煮練產物依次經由螺旋管式分離器43和其過濾篩板434析出。萃取物可通過分離釜底部液體出口412放出，氣態CO₂則通過分離釜上端的氣體出口Ⅰ413流出。在此過程中，螺旋管式分離器43的底部過濾篩板434位于分離釜4底部，由此形成了底部到頂部的CO₂氣體氣化通道，保證了氣體的充分氣化。氣體CO₂流出螺旋管式分離器43，經由過濾器再次過濾后，經過冷凝器制冷后回收進入CO₂儲罐1，以備下次使用。

經過超臨界CO₂流體煮練后，亞麻粗紗的重量損失率8.3％，殘膠率12.3％，單纖維斷裂強度10.5cN/dtex，斷裂伸長率6.7％。

實施例3

將10kg亞麻粗紗筒子依次連接套置到煮練釜8內。

煮練過程中，首先開啟制冷系統，液態CO₂在CO₂儲罐1內流出，通過過濾器2過濾去除可能含有的雜質后，在增壓泵的作用下注入到煮練設備內部；而后在預熱器的作用下進入超臨界狀態。由下而上的向位于其上的亞麻筒子紗滲透擴散后流出；關閉增壓泵5，在70℃、12MPa的條件下在靜態下溶脹亞麻纖維10min，進行亞麻粗紗的超臨界流體溶脹工序。然后CO₂流體流出煮練釜；在磁力循環泵的作用下，CO₂流體再次進入煮練釜，提高溫度至100℃、壓力至20MPa，在動態下循環煮練亞麻纖維15min，實現煮練循環；再次開啟增壓泵，保持100℃、壓力20MPa的條件下，進行煮練-分離聯合工藝5min，以完成亞麻粗紗煮練加工。

煮練加工完成后，關閉增壓泵和磁力循環泵。煮練釜體內的超臨界CO₂流體進入多級分離釜4內的螺旋管式分離器43，在內部漸變式填料的作用下，保持3MPa、20℃條件下，使得煮練產物與CO₂氣體完全分離；并按照分子大小，使得萃取出的煮練產物依次經由螺旋管式分離器43和其過濾篩板434析出。萃取物可通過分離釜底部液體出口412放出，氣態CO₂則通過分離釜上端的氣體出口Ⅰ413流出。在此過程中，螺旋管式分離器43的底部過濾篩板434位于分離釜4底部，由此形成了底部到頂部的CO₂氣體氣化通道，保證了氣體的充分氣化。氣體CO₂流出螺旋管式分離器43，經由過濾器再次過濾后，經過冷凝器制冷后回收進入CO₂儲罐1，以備下次使用。

經過超臨界CO₂流體煮練后，亞麻粗紗的重量損失率9.5％，殘膠率10.8％，單纖維斷裂強度11.8cN/dtex，斷裂伸長率5.3％。

實施例4

將15kg亞麻粗紗筒子依次連接套置到煮練釜8內。

煮練過程中，首先開啟制冷系統，液態CO₂在CO₂儲罐1內流出，通過過濾器2過濾去除可能含有的雜質后，在增壓泵的作用下注入到煮練設備內部；而后在預熱器的作用下進入超臨界狀態。由下而上的向位于其上的亞麻筒子紗滲透擴散后流出；關閉增壓泵，在35℃、10MPa的條件下在靜態下溶脹亞麻纖維20min，進行亞麻粗紗的超臨界流體溶脹工序。然后CO₂流體流出煮練釜；在磁力循環泵的作用下，CO₂流體再次進入煮練釜，提高溫度至110℃、壓力至18MPa，在動態下循環煮練亞麻纖維20min，實現煮練循環；再次開啟增壓泵，保持110℃、壓力18MPa的條件下，進行煮練-分離聯合工藝8min，以完成亞麻粗紗煮練加工。

煮練加工完成后，關閉增壓泵和磁力循環泵。煮練釜體內的超臨界CO₂流體進入多級分離釜4內的螺旋管式分離器43，在內部漸變式填料的作用下，保持3MPa、20℃條件下，使得煮練產物與CO₂氣體完全分離；并按照分子大小，使得萃取出的煮練產物依次經由螺旋管式分離器43和其過濾篩板434析出。萃取物可通過分離釜底部液體出口412放出，氣態CO₂則通過分離釜上端的氣體出口Ⅰ413流出。在此過程中，螺旋管式分離器43的底部過濾篩板434位于分離釜4底部，由此形成了底部到頂部的CO₂氣體氣化通道，保證了氣體的充分氣化。氣體CO₂流出螺旋管式分離器43，經由過濾器再次過濾后，經過冷凝器制冷后回收進入CO₂儲罐1，以備下次使用。

經過超臨界CO₂流體煮練后，亞麻粗紗的重量損失率8.6％，殘膠率12.8％，單纖維斷裂強度12.2cN/dtex，斷裂伸長率6.3％。

實施例5

將12kg亞麻粗紗筒子依次連接套置到煮練釜8內。

煮練過程中，首先開啟制冷系統，液態CO₂在CO₂儲罐1內流出，通過過濾器2過濾去除可能含有的雜質后，在增壓泵的作用下注入到煮練設備內部；而后在預熱器的作用下進入超臨界狀態。由下而上的向位于其上的亞麻筒子紗滲透擴散后流出；關閉增壓泵，在80℃、16MPa的條件下在靜態下溶脹亞麻纖維20min，進行亞麻粗紗的超臨界流體溶脹工序。然后CO₂流體流出煮練釜；在磁力循環泵的作用下，CO₂流體再次進入煮練釜，提高溫度至120℃、壓力至20MPa，在動態下循環煮練亞麻纖維20min，實現煮練循環；再次開啟增壓泵，保持120℃、壓力20MPa的條件下，進行煮練-分離聯合工藝10min，以完成亞麻粗紗煮練加工。

煮練加工完成后，關閉增壓泵和磁力循環泵。煮練釜體內的超臨界CO₂流體進入多級分離釜4內的螺旋管式分離器43，在內部漸變式填料的作用下，保持3MPa、20℃條件下，使得煮練產物與CO₂氣體完全分離；并按照分子大小，使得萃取出的煮練產物依次經由螺旋管式分離器43和其過濾篩板434析出。萃取物可通過分離釜底部液體出口412放出，氣態CO₂則通過分離釜上端的氣體出口Ⅰ413流出。在此過程中，螺旋管式分離器43的底部過濾篩板434位于分離釜4底部，由此形成了底部到頂部的CO₂氣體氣化通道，保證了氣體的充分氣化。氣體CO₂流出螺旋管式分離器43，經由過濾器再次過濾后，經過冷凝器制冷后回收進入CO₂儲罐1，以備下次使用。

經過超臨界CO₂流體煮練后，亞麻粗紗的重量損失率9.2％，殘膠率9.5％，單纖維斷裂強度9.1cN/dtex，斷裂伸長率5.7％。